基于橡膠擠壓密封技術的真空密封連接器淺析

胡 豪，楊光東，羊衍富

(1.四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000；2.四川互連創(chuàng)新科技有限公司，四川綿陽，621000)

1 前言

真空密封連接器主要用于氣密座艙及其他電氣、無線電設備，需要保持氣密性能的電信號傳輸連接的場合。隨著我國航空、航天、船舶、勘探等工業(yè)、農業(yè)、軍事工業(yè)的突飛猛進，各種高溫、高壓、腐蝕、輻射等工作環(huán)境、工作設備的增多，耐環(huán)境密封連接器的需求與日俱增。

國內外連接器行業(yè)內通常采用的是玻璃-金屬、陶瓷—金屬燒結技術：即可伐合金接觸件和可伐合金殼體之間采用熱膨脹系數相近的玻璃體或陶瓷進行高溫燒結，進而達到氣密封合格的產品。采用玻璃或陶瓷燒結出來的真空密封產品，密封性能優(yōu)異，指標高，可達到對干燥氦氣的最大氣體泄漏率不大于1×10-12Pa·m3/s。但是國內的玻璃(陶瓷)燒結技術不夠成熟，燒結成品率低，投入大、產出少。并且玻璃(陶瓷)絕緣子比較脆，當連接器受到強振動或沖擊的機械環(huán)境時，玻璃子(陶瓷)容易開裂，從而導致密封失效。急需一種新的結構技術實現真空密封性能，以解決玻璃(陶瓷)燒結存在的問題，同時解決制造周期長、成本高的問題。本文所要介紹的基于橡膠擠壓密封技術的真空密封連接器結構，可在低成本及快速制造方面做出突破。

2 橡膠擠壓密封原理

橡膠密封圈可以被想象成為不可壓縮的、具有很高表面張力的“高粘度流體”。不論是受周圍機械結構的機械壓力作用、還是受流體傳遞的壓力作用，這種“高粘度流體”在溝槽中“流動”，形成“零間隙”，或者說阻止了被其他密封的流體(如空氣、水介質、油介質、粉塵)的流動。橡膠的彈性補償了制造和配合公差，其材料內部的彈性記憶是維持密封的重要條件。

下圖1a～d分別展示了O形密封圈在溝槽內部的四種形態(tài)。

a.裝入溝槽 b.受到系統(tǒng)壓力 c.O形圈擠出 d.O形圈失效

圖1a中，O形圈安裝后，未施加系統(tǒng)壓力。此時O形圈受溝槽的機械壓力，其截面已不是圓形，它關閉了流體的通道。

圖1b中，在系統(tǒng)壓力作用下，O形圈被迫擠向(但未擠進)配合面之間的狹窄間隙，從而獲得了更大的接觸面積和密封應力。

圖1c中，O形圈所受壓力達到了它的壓力極限，有一小部分密封材料被擠進了溝槽間隙。

圖1d中，進一步加大系統(tǒng)壓力，密封件的表面張力已不足以阻止“流動”，材料擠出到開放的通道或間隙中，導致O形圈擠出失效。

3 關鍵技術介紹

用戶都希望密封系統(tǒng)能無泄漏地長時間工作。對不同的應用，要獲得完美的密封效果，材料的性能和密封的設計都是非常重要的。

常見泄漏形式

◆穿漏

通過密封面間隙的泄漏。在壓力差的作用下，通過宏觀和微觀的縫隙的泄漏，此為單向泄漏。這主要與橡膠密封的預壓力和密封溝槽的加工精度有關。

◆滲漏

在壓力差的作用下，介質通過密封件材料的毛細管泄漏。泄漏也是單向分子泄漏流動。

◆擴散

在濃度差的作用下，介質通過密封間隙或密封材料毛細管產生的物質傳遞，叫擴散。擴散過程是雙向的。

3.1 橡膠圈靜密封技術——橡膠密封圈材料的選擇

對于低真空和高真空，靜密封一般采用橡膠作為密封材料，主要是由于它具有高彈性、較高的耐磨性和適宜的機械強度。橡膠的體積是很不容易被壓縮的，在某一方向上受壓就在另一方向上伸長，總體積幾乎不變。因此，橡膠不僅可以用作壓緊密封，而且還可以用作脹緊密封。O形圈可以廣泛應用于各種環(huán)境。[1]

泄漏形式中的“滲漏”、“擴散”主要與橡膠圈材料及環(huán)境的溫度、橡膠的滲漏性能、介質壓力、介質種類、輻照、介質酸堿度等因素有關，所以產品的密封設計第一步應考慮各種條件因素，合理選擇密封圈材料。

連接器行業(yè)通常使用硅橡膠、丁腈橡膠，氟橡膠等做連接器的密封件使用，本文主要對這三種材料的差異及區(qū)別作介紹，根據本產品使用環(huán)境條件，結合自身的材料屬性做成選擇。

(1)溫度對橡膠的影響

在真空設備中，橡膠作為密封材料應用最為普遍，主要是由于它具有高彈性，較高的耐磨性和適宜的機械強度，因而具有在常溫下密封可靠，可反復拆卸安裝，易于加工，價格低廉的優(yōu)點。缺點是不能承受高溫和低溫的環(huán)境條件。溫度對橡膠的性能影響很大，高溫容易使橡膠產生殘余變形，加速橡膠的老化；低溫容易使橡膠發(fā)生結晶硬化，喪失彈性。因此，橡膠都有一定的使用溫度范圍。常規(guī)橡膠的使用溫度見表1，可知溫度使用范圍:丁腈橡膠<氟橡膠<硅橡膠。

(2)介質對橡膠的影響

常見的介質主要有水、油、氣體、塵土等。各橡膠材料的耐介質性能介紹如下表1所示。[3]

表1 常用橡膠材料特點

從上表分析耐介質性能：硅橡膠<丁腈橡膠<氟橡膠。

(3)橡膠的滲漏性能

沒有絕對的密封，橡膠圈自身也會發(fā)生泄漏。

氣體能夠通過橡膠等密封材料向真空一側滲漏。不同橡膠在不同溫度下對空氣的透氣性不盡相同，丁腈橡膠含有甲基基團，透氣率較低，并且隨丙烯腈的含量增高而降低；氟橡膠十分致密，對各種氣體有較小的擴散速度和較大的溶解度,透氣性很小，與丁基橡膠相當，在高溫、真空中出氣率很低(在2.6×10-7Pa的失重為2.3%),可用于10-5Pa～10-7Pa的真空密封;采用雙“O”圈密封結構，烘烤到200℃，并加上冷卻措施，可達到10-8Pa的超高真空。缺點是價格昂貴，通常只限于需要烘烤的高真空及超高真空系統(tǒng)中。硅橡膠是一種溫度范圍寬廣的耐熱橡膠，缺點是氣體滲透率較普通橡膠大數十至數百倍，線膨脹系數比其他橡膠大。[1]

氣體經橡膠的滲漏速度，開始時很快，然后逐漸降低，經過一定時間后，達到一穩(wěn)定的滲透值。在室溫條件下，空氣對部分橡膠的透氣性見表2。[1]

表2 部分橡膠對空氣的滲透系數 (單位：cm3(STP)cm/cm2·s)

通過上表可知，滲透系數：丁腈橡膠<氟橡膠<硅橡膠。

綜合比較，同時結合客戶使用環(huán)境溫度5℃～50℃、高放射性(γ射線)、耐酸堿，以及密封性能達1×10-8Pa·m3/s的要求，選用可靠性更高的耐輻照氟橡膠密封圈進行設計制造。

3.2 橡膠圈靜密封技術——密封溝槽設計

3.2.1 溝槽密封型式

O形橡膠密封圈的溝槽尺寸和公差，一般參照GB/T3452.3-2005執(zhí)行。根據O形圈壓縮方向，O形圈溝槽型式分為徑向密封和軸向密封兩種，見下圖2、圖3，圖4。[4]具體詳見GB/T3452.3-2005敘述，此處不再深入。總之溝槽的設計對其密封能力是非常重要的，設計溝槽的截面面積要求稍微大于橡膠密封圈的截面面積，橡膠壓縮后的充填因數φ>1，橡膠的壓縮量通常為15%～30%。溝槽尺寸主要包括溝槽寬度和溝槽深度，以及棱邊圓角及粗糙度要求。

圖2 徑向密封的活塞密封溝槽型式

圖3 徑向密封的活塞桿密封溝槽型式

圖4 軸向密封的溝槽型式

3.2.2 溝槽深度

設計橡膠密封槽，要充分考慮橡膠密封圈的特點，橡膠圈受力形變后形狀改變而保持體積不變，即不可壓縮的彈性壓縮能力，超過這種能力就會發(fā)生塑性變形，嚴重時造成表皮破損，因此，確保橡膠密封圈最適宜的壓縮量是密封槽設計中重要的參數之一。過小不能形成長期穩(wěn)定的可靠密封，過大會影響橡膠圈的使用壽命。

3.2.3 溝槽寬度

溝槽寬度是密封槽設計中另一重要參數。由于安裝在密封槽里的橡膠圈受壓前后，形狀發(fā)生變化而體積不變(橡膠本身不可壓縮)，因此，密封槽要有容納密封圈變形的空間。在受壓密封狀態(tài)下，密封圈不可能將密封槽完全允滿，在不同介質和溫度下，橡膠圈會出現一定的膨脹，密封槽容積應有相對的余量。

靜密封溝槽深度和溝槽寬度推薦參數見下表3所示。

表3 溝槽深度和寬度 (單位：mm)

3.2.4 安裝倒角設計

正確的溝槽設計可以已開始就消除可能的損傷和密封失效。由于O形圈安裝時受擠壓，所以設計O形圈導入過程中接觸的零件時，必須遵守規(guī)定的倒角和倒圓。

密封槽和轉軸的端角處應有15°～30°的倒角，避免尖銳的棱角在裝配時劃傷密封圈，密封圈一旦被劃傷，劃傷處不僅僅存在漏氣隱患，更主要的是密封圈的損傷在受力后會在蔓延擴大，導致密封失效。[1]運動部件各端部倒角形式見圖5、圖6，倒角最小長度Z，作為與O形圈截面直徑相關的函數，列于下表4中：

圖5 孔的導入倒角

圖6 軸的導入倒角

表4 密封槽溝端部倒角尺寸 (單位：mm)

3.2.5 溝槽棱邊圓角及粗糙度要求

密封圈受到內部或外部空氣、液體等介質壓力時，密封圈受壓將會有一小部分密封材料被擠進了溝槽間隙，如圖1c。所以溝槽的棱邊尖銳部位將進行倒圓角處理，見圖7。推薦圓角尺寸見下表5。

圖7 溝槽棱邊倒圓角

在壓力的作用下，彈性體將貼緊不規(guī)則的密封表面。對氣體或液體密封的緊配合靜密封，密封表面應滿足一些基本的要求。密封表面上不得有開槽、劃痕、凹坑、同心或螺旋狀的加工痕跡。對對溝槽各個表面的粗糙度要求推薦見下表5。

表5 溝槽圓角尺寸 (單位：mm)

4 橡膠擠壓密封技術的真空密封連接器結構介紹

一般灌膠密封連接器密封性能指標要求：

例證1，Y11系列連接器，GJB101A中3.6.11條要求為灌膠密封插座在100kpa的壓差下，泄漏率為60pa.cm3/s，也就是6×10-5pa.m3/s；

例證2，XC系列連接器，GJB2889，要求為50kpa氣壓下，泄漏率為46pa.cm3/s，也就是4.6×10-5pa.m3/s。由此可見，一般灌膠密封插座，密封性能指標不高，能滿足一般的氣密封要求，但在更高領域，無法滿足，有局限性，但制造成本低，適合大批量生產。

本文所介紹的橡膠擠壓技術真空密封連接器插座，采用橡膠擠壓密封+階梯狀的防滑槽分層灌膠密封結構(見圖8)，來滿足：在200kPa壓差下，保壓時間不少于10分鐘，對干燥氦氣的最大氣體泄漏率不大于1×10-8Pa·m3/s。由此可見，本文所介紹的連接器真空密封性能指標略低于常規(guī)的玻璃燒結指標要求1×10-12Pa·m3/s，但是又高于一般灌膠密封連接器要求的1×10-5Pa·m3/s；適用于真空密封性能略低于玻璃燒結連接器，而又高于一般灌膠密封連接器，且更加可靠的一種低成本，快速批量制造的新型真空密封連接器領域。新型真空密封連接器結構剖視見圖8。

圖8 橡膠擠壓密封技術真空密封連接器結構

4.1 內部橡膠擠壓密封結構設計

在接觸件與安裝板、安裝板與外殼之間進行密封設計。接觸件與安裝板，安裝板與外殼之間均裝入雙重O形圈，通過對O形圈一定的擠壓量，實現可靠密封。

裝配順序：

1)在插針、插孔接觸件上，將O形密封圈裝入，形成接觸件組件，結構見圖9；

圖9 接觸件裝配O形密封圈狀態(tài)

2)將接觸件組件裝入安裝板孔內，結構見圖10所示。

圖10 接觸件組件在安裝板孔內受壓狀態(tài)

3)接觸件組件裝入安裝板后，形成安裝板組件，再整體裝入殼體內(殼體環(huán)形槽內預先安裝兩道O形密封圈)。后安裝板外圓擠壓密封圈，實現與外殼之間的密封。后安裝板外圓端面倒角，便于安裝裝入，也避免了劃傷密封圈，結構見圖11。

圖11 安裝板與外殼之間的擠壓密封結構

4.2 內部灌膠區(qū)域結構設計

同時在接觸件和外殼內腔進行密封加強設計。外殼內腔以及接觸件設計階梯狀的灌膠防滑槽結構，增大灌封膠的接觸面積，加長空氣泄露路徑，保證氣密封設計，實現第二層密封保證。結構見圖12，圖13。

圖12 接觸件防滑槽灌膠密封結構

圖13 外殼防滑槽灌膠密封結構

5 預防O形圈密封失效的思考[2]

按照失效機理不同，常見的密封圈失效的形式有安裝損傷、密封件卷曲、過度壓縮、擠出、磨損、永久壓縮變形、化學腐蝕、氣體析出材料損失和熱腐蝕等九種。現將密封圈失效機理及其解決辦法詳述如下。

(1)安裝損傷

安裝損傷表現為密封圈全部或部份呈現整齊傷口。其造成原因有:使用時密封圈裝配未到位、密封圈尺寸不合適、密封圈硬度或彈性過低、密封圈表面有污物、潤滑不足、溝槽鋒利等造成邊角劃傷密封圈。

解決辦法：清除鋒利邊角，溝槽設計更加合理，選擇尺寸合適的密封件，選擇彈性更大硬度更高的密封件。同時安裝密封圈時應涂高真空潤滑油脂，特別是傳動軸進入內孔前(接觸件進入安裝板孔穴)，在接觸件溝槽處、密封圈、安裝板孔內表面要均勻涂上油脂，便于安裝。

(2)密封件卷曲

密封圈卷曲表現為其表面明顯呈卷曲并伴有扭轉紋路。其造成原因有:使用安裝材料太硬或彈性太小的密封圈、0形圈表面處理不均勻、溝槽表面粗糙、潤滑不足等造成等。

解決辦法：在接觸件溝槽處、密封圈、安裝板孔內表面要均勻涂上油脂，便于安裝。使用輔助工具保證正確定位，保證O形圈不扭曲。

(3)過度壓縮

過度壓縮表現為密封圈接觸表面呈現平面變形,并可能伴隨裂紋。造成此類問題的主要原因有設計不合理，沒有考慮到材料由于熱量及化學介質引起的變形，或由于壓力過大引起。

解決辦法：溝槽的設計應考慮到材料由于溫度及化學介質引起的變形。

(4)擠出

擠出可使密封圈邊緣粗糙破爛，一般通常在壓力低的一側。造成此類問題的主要原因有間隙過大、壓力過大、材料硬度或彈性過低、溝槽空間太小,間隙尺寸不規(guī)則、溝槽邊角過于鋒利以及密封圈尺寸不合適等。

解決辦法：調整溝槽與密封圈壓縮量，棱邊倒圓角處理，材料選擇應合理。

(5)磨損

磨損使密封圈全部或部分密封區(qū)域產生細紋，可在密封表面找到材料磨損顆粒。其造成原因為:密封表面光潔度不夠,密封環(huán)境滲入磨損性強的污物,密封圈產生相對運動，密封圈表面處理不徹底等。

解決辦法：提高溝槽表面粗糙，密封圈應清潔并充分潤滑。

(6)永久壓縮變形

永久壓縮變形使密封圈表面呈現平面永久變形。其造成原因為:壓力過大,溫度過高,材料沒有完成硫化處理,材料本身永久變形率高,材料在化學介質中過度膨脹。

解決辦法：選擇低變形率的材料；合適的溝槽設計；確認材料與介質相容。

(7)化學腐蝕

化學腐蝕可引起密封圈的各種缺陷,如發(fā)泡，破裂,小洞,或褪色等,有時化學腐蝕僅可通過儀器測量其物理性能而得知。其造成原因為:材料與介質不符或溫度過高。

解決辦法：充分考慮環(huán)境介質因素，選擇更加耐化學介質或耐高溫的材料。

(8)氣體析出材料損失

氣體析出材料損失通常較難檢測，密封圈通常表現為截面尺寸減小。其造成原因有:材料硫化處理不當,高真空或高壓密封使用環(huán)境,材料硬度過低,或使用了帶有增塑劑的材料。

解決辦法：避免使用帶有增塑劑的材料，確認密封件經過正確的硫化處理以減低泄漏。

(9)熱腐蝕

熱腐蝕后密封圈的高溫接觸表面呈現徑向裂紋。另外，有的材料可能會變囫或因溫度過高而使材料變得有光澤。其造成原因主要有:材料不能承受高溫，或高溫超出預計溫度，或溫度變化過快，過于頻繁。

6 驗證情況

對采用以上結構的真空密封連接器按照GB/T15823-2009《氦泄漏檢驗》中“護罩法”(或真空室法)試驗，在環(huán)境溫度25℃±10℃條件下，連接器一側充氦氣100kPa(表壓)，另一側抽真空，在200kPa壓差下，保壓時間不少于10分鐘，實際測量發(fā)現產品泄漏率分布在1×10-11Pa·m3/s～1×10-8Pa·m3/s區(qū)域，甚至個別達到1×10-12Pa·m3/s。試驗結果滿足設計要求的泄漏率不大于1×10-8Pa·m3/s。

6.1 輻照老化長壽命驗證

使用該密封結構的40芯真空密封連接器插座，經過γ射線累計劑量200kGy的輻照老化試驗(γ吸收劑量率為1kGy/h～12 kGy/h)，約30天再次按GB/T15823-2009《氦泄漏檢驗》中“護罩法”(或真空室法)試驗，連接器一側充氦氣100kPa(表壓)，另一側抽真空，在200kPa壓差下，保壓時間不少于10分鐘，對干燥氦氣的最大氣體泄漏率為3.4×10-10Pa·m3/s。

6.2 加速熱老化長壽命驗證

經過輻照老化的試驗樣品，按GB/T2423.2(試驗Bb)進行160℃，7天；125℃，17天高溫熱老化試驗，試驗后測試氦檢泄漏率為2.8×10-7Pa·m3/s(護罩法)。滿足老化試驗后要求的泄漏率不大于1×10-6Pa·m3/s。

7 結論

在真空密封連接器設計過程中，利用三維繪圖軟件進行仿真設計，對密封圈安裝部位的粗糙度、O形圈導入過程中接觸零件的倒角進行嚴格要求，并進行詳細的尺寸鏈設計，尤其是根據工作壓力對O形圈的擠出極限及間隙、密封圈的壓縮率計算。目前，采用該密封結構的連接器已通過相應標準規(guī)定的鑒定試驗，各項技術指標均達到要求。

實踐證明，基于橡膠擠壓密封技術，合理選擇密封件材料及溝槽尺寸，進行產品密封結構設計，可快速制造出低成本的高密封長壽命連接器。